Общая циркуляция атмосферы. 
Метеорологические условия и распространение загрязняющих веществ

Перенос веществ на большие расстояния, например, из северного полушария в южное, происходит с воздушными потоками — ветрами. Существуют ветры, господствующие на протяжении большей части года. Они обусловлены общей (глобальной) циркуляцией атмосферы, функционирующей под действием двух факторов:

• 1) разогрева воздуха солнечной радиацией;
• 2) кариолисова ускорения, возникающего за счет вращения Земли.

Метеорология к настоящему времени утверждает, и вполне обоснованно, что атмосфера северного полушария загрязнена в среднем сильнее, чем южного, относительно короткоживущими примесями (время жизни менее одного года). Вместе с тем отмеченные глобальные факторы почти не сказываются на перераспределении между полушариями веществ с большим временем пребывания в атмосфере, например, С0₂, N0₂ и др.

Важную роль играют процессы распространения загрязняющих веществ с локальными воздушными потоками. Природные и техногенные загрязнители, попадая в атмосферу, включаются в процессы перемешивания с газовой средой и рассеивания в ней. Здесь действуют факторы и свойства текучих сред, включая возможность переносить вещество во всех направлениях, в том числе и против основного потока. Такое свойство движений, если они упорядочены, связано с конвекцией (температурной или плотностной).

При больших интенсивностях в случае потери дальнего порядка начинается ускоренное перемешивание, характерное для турбулентного течения.

В целом, известно три механизма уменьшения концентрации примесей в атмосфере:

• 1) рассеяние в результате конвективного или турбулентного перемешивания;
• 2) деградация (трансформация) под действием биохимических и химических процессов;
• 3) иммобилизация — потеря подвижности загрязняющих веществ в результате процессов адсорбции или биохимических процессов поглощения.

Механизмы рассеяния. В атмосфере как типичной текучей среде задействованы три механизма рассеяния:

• 1) молекулярная диффузия (на малых расстояниях);
• 2) конвективная диффузия как функция разности температуры или плотности;
• 3) турбулентная диффузия.

Молекулярная диффузия в «чистом виде» для переноса вещества от источника до внешней границы СЗЗ обычно не учитывается.

Ламинарные конвективные потоки в атмосфере, по мнению некоторых метеорологов, так же не играют существенной роли в масштабе высоты атмосферы. Другие исследователи с этим механизмом связывают развитие островов (куполов) тепла над территориями городов [39], которые поднимаются до 500—1000 м и отличаются от окружающего фона на 5—6° (рис. 3.3).

В целом переход от ламинарного течения к турбулентному определяет величина критического числа Рейнольдса (Re). Оно зависит от высоты атмосферы в первой степени. Поэтому уже при весьма слабом ветре число Re велико, и доминирует турбулентное движение и турбулентная диффузия загрязняющих веществ.

Рис. 3.3. Механизм формирования «купола тепла» над городом

При статистической обработке состояния атмосферного воздуха и зонировании территории также обычно используются нормативные индексы (стандарты), рекомендованные Росгидрометом (табл. 3.3): ИЗА — индекс загрязнения атмосферы; СИ — стандартный индекс и НП — индекс наибольшей повторяемости.

Таблица 3.3

Нормативные индексы.

При выборе одного из этих трех стандартных нормативов обычно учитывают количественный состав поллютантов, степень его корреляции с заболеваниями, развитость средств контроля, экономические факторы.

Пространственно-временные воздействия поллютантов. Пространственно-временные воздействия загрязняющих веществ на здоровье людей и окружающую среду зависят от их физических и химических свойств, эмерджентности, состава продуктов деструкции и концентрации тех и других в выбросах и окружающей среде. Важнейшим параметром, определяющим масштаб распространения загрязнителя в атмосфере, является время его жизни в атмосфере. Исходя из этого выбросы загрязняющих веществ (или сами загрязнители) делятся на три типа.

• 1. Приводящие к загрязнению в глобальном масштабе. Сюда относятся выбросы веществ с большим временем жизни в атмосфере (годы или месяцы), способные распространяться в окружающей среде в глобальном масштабе независимо от места их выброса. К таким загрязнителям принадлежат углекислый газ, фреоны, радионуклиды с периодом полураспада от одного месяца и больше (а при мощных ядерных взрывах или авариях и от нескольких дней).
• 2. Приводящие к загрязнению в региональном масштабе (регион часто охватывает территорию нескольких государств). Сюда относятся выбросы веществ с ограниченным (обычно от нескольких суток) временем жизни в атмосфере, способные приводить к загрязнению крупного региона, за пределами которого концентрация загрязнителя быстро падает, однако в следовых количествах может наблюдаться повсеместно. В числе таких загрязнителей — оксиды серы и азота, пестициды, тяжелые металлы.
• 3. Приводящие к загрязнению в локальном масштабе (на сравнительно небольшой территории). Сюда относятся выбросы веществ с малым временем жизни в атмосфере, приводящие к локальному загрязнению окружающей среды. К загрязнителям этого типа принадлежат грубодисперсные аэрозоли, сероводород и др., а также некоторые представители предыдущего типа, например, оксиды серы и азота, если они выбрасываются из низких источников.

В зависимости от периодичности различают выбросы постоянные (или непрерывные) и периодические (залповые), в том числе аварийные.

Газообразные загрязнители и аэрозоли выбрасываются в атмосферу через дымовые трубы, аэрационные фонари и различные вентиляционные устройства. В зависимости от их высоты различают следующие виды источников выброса:

• — высокие (Я > 50 м);
• — средней высоты (Я = 10+50 м);
• — низкие (Я = 2 + 10 м);
• — наземные (Я < 2 м).

Выпуск сточных вод (загрязнителей) в водоемы может быть сосредоточенным (в одной точке) и рассеивающим (т. е. разбитым на большое число струй), а также поверхностным или подводным, прибрежным или вынесенным на определенное расстояние от берега. Подводный рассеивающий выпуск на значительном удалении от берега наиболее желателен, так как приводит к максимальному разбавлению.

Приоритетные загрязнители компонентов окружающей среды. При проведении геоэкологических исследований, включая геомониторинг урбанизированных территорий, загрязнители определяются в атмосфере, воде, почве и биоте. Для каждой природной среды установлены перечни приоритетных загрязнителей, подлежащие определению.

• 1. В атмосферном воздухе — взвешенные частицы, оксиды серы, азота и углерода, озон, сульфаты, свинец, кадмий, ртуть, мышьяк, 3,4-бенз (а)пирен, ДДТ и другие пестициды.
• 2. В атмосферных выпадениях (осадках, снежных покровах, сухих выпадениях) — свинец, кадмий, ртуть, мышьяк, сульфаты, 3,4-бенз (а) пирен, ДДТ и другие пестициды, pH, главные катионы и анионы (катионы калия, натрия, магния и кальция; сульфат-, хлорид-, нитрати гидрокарбонат-анионы).

• 3. В пресных водах — свинец, кадмий, ртуть, мышьяк, сульфаты, 3,4-бенз (а)пирен, ДДТ и другие пестициды, биогенные элементы (фосфор, азот, кремний).
• 4. В почве и донных отложениях — те же вещества, что и в пресных водах.
• 5. В биоте (растительность, объекты животного мира) — свинец, кадмий, ртуть, мышьяк, сульфаты, 3,4-бенз (а)пирен, ДДТ и другие пестициды. Исключение — биогенные элементы.

Одновременно проводятся гидрометеонаблюдения, в ходе которых определяют температуру воздуха и воды, атмосферное давление, направление и силу ветра, вид и количество осадков, характер облачности, влажность; на водоемах — уровень, течения, волнение, соленость, ледяной покров.